聚乙烯亚胺基因载体材料对线粒体的生物效应及机理研究

Gene therapy is one of the most advanced issues in the field of modern biomedicine. A key factor in the success of gene therapy is the development of delivery systems that are capable of efficient gene transfer, without causing any associated pathogenic effects. Polyethyleneimine (PEI) is one of the most effective non-viral gene carriers because of its unique combination of high charge density and enhanced "proton sponge effect" in endo-/lysosome, and is regarded as the ''golden standard'' for non-viral gene delivery. However, little is known about the mechanism of PEI-induced cytotoxicity, setting great limits on its clinical application. In this work, a combination of biological, thermodynamic and thermokinetic study will be performed to investigate the interaction of PEI with protein and liposome, as well as its influence on the structure and property of protein and liposome. The impact of structural features of PEI and environmental factors, such as pH and ionic strength, will be discussed to reveal the mechanism of biological effects of PEI, on a molecule level. Furthermore, metabolism thermokinetics,ultrastructure and membrane functions of mitochondria will be studied and the results utilized to reveal the influence of PEI on the living metabolism, on an organelle level. The results from this work will facilitate deep understanding the mechanism of PEI cytotoxicity and will be benefit to the design, fabrication and application of PEI-based gene vector.

基因治疗是现代生物医学领域最前沿的研究之一，建立高效、安全的基因载体系统是这项技术的核心。聚乙烯亚胺(PEI)由于其高电荷密度和独特的质子海绵效应而具有良好的转染效率，是非病毒基因载体材料的"黄金标准"。然而，目前人们对PEI细胞毒性机理的了解还相当缺乏，对PEI的应用造成了很大的制约。项目综合利用生物学、热力学和热动力学技术，研究PEI 与蛋白质和脂质体的相互作用对其结构性质的影响，并深入分析PEI分子量、分子结构等结构因素以及pH值、离子强度等环境因素的影响，在分子水平上探讨PEI的生物效应。在此基础上，以线粒体为研究对象，研究线粒体代谢过程热动力学，结合线粒体微观结构和膜功能分析，在细胞器水平上认识PEI对生命代谢过程的影响途径。项目研究不仅可以为阐明PEI的细胞毒性作用机制和生物安全性提供依据，而且对PEI基因载体的设计、制备和应用具有重要的指导作用。

基因治疗是现代生物医学领域最前沿的研究之一，建立高效、安全的基因载体系统是这项技术的核心。聚乙烯亚胺(PEI)由于其高电荷密度和独特的质子海绵效应而具有良好的转染效率，是非病毒基因载体材料的“黄金标准”。然而，PEI材料具有不同程度的细胞毒性，目前人们对PEI细胞毒性的分子作用机理的了解还相当缺乏，对PEI的医学应用造成了很大的制约。. 项目综合利用生物学和热力学技术研究了PEI与血清白蛋白、辣根过氧化物酶、猪心乳酸脱氢酶、溶菌酶等具有不同理化性质的蛋白质(酶)的构象和生理功能的影响。结果表明，PEI是一种两亲型高分子，由于大量易于质子化的氨基基团而具有很强的氢键形成和静电结合能力，而分子链上的亚甲基具有一定的疏水性，使得PEI不仅可以通过静电结合作用，还可以通过氢键和范德华力结合在蛋白质(酶)表面形成静态复合物，使得蛋白质(酶)形成更紧密的构象，增强其表面疏水性，并对其生理功能产生影响。. 同时，项目制备二油酰磷脂酰胆碱(DOPC)、二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱(DMPC)和二油酰磷脂酰丝氨酸(DOPS)脂质体，研究PEI与生物膜中最主要的两类磷脂-中性磷脂和阴离子磷脂的相互作用机理及其对脂膜的结构和性质的影响。结果显示，PEI可以通过氢键和范德华力结合在中性脂质体表面，引起脂质体的聚集和脂膜流动性、通透性和膜内微环境极性的增加。PEI通过静电结合作用引起阴离子脂质体膜融合，并对脂膜的结构性质产生复杂影响。 . 项目研究所得结果和结论完善了对PEI与生物大分子体系之间相互作用的认识，不仅为阐明PEI的细胞毒性作用机制和生物安全性提供依据，而且对PEI基因载体的设计、制备和应用具有重要的指导作用。..